principles of lasers激光原理第2章
第2章激光基本原理优秀PPT

都表示光场的一种分布,也就是光波的一种模式,或称一种
波型。
讨论光在如图2.1所示的体积为V的各向同性介质中运动时,
可能存在的模式数目
分三种情况讨论
1.在偏振和频率都是一定的情况下,因传播方向不同,
可能存在的模式数目。
对应于从尺度为d的光源发出的波长为λ的光,因衍射限制,在R处
h
Px Py P
(2-20)
c
因为∆很小,故有 ≈ ,所以,∆PZ 的测不准量主要来自频率的测不准量
h
Pz P
(2-21)
c
根据前述的光子态在相空间的体积为 xyzP P P
x
y
z
h
3
h3
c3
xyz
2
VCS
来确定光子的一种状态
在六维相空间(x,y,z,Px,Py,Pz)内,光子的一种状态
所对应的相空间体积元为
上述相空间体积元称为相格。
相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子以动量Px,Py,Pz组成的动量空间内,它的一种运动状态占
据动量空间的体积元
由(2-13)得
上式中的V= ΔxΔyΔz是光子运动的体积。
第2章激光基本原理
【学习目标】
掌握有关激光的基本原理及研究有
关问题的思路和方法,了解激光器
的基本结构、各种类型激光器
【学习要求】
☞ 熟悉光子的基本性质,光波模式、光子态、相
干体积、相格等概念,理解光的相干性
☞ 掌握光的受激辐射概念、爱因斯坦系数之间关
系,理解光的自激振荡,掌握激光振荡条件
北交大激光原理 第2章 Suggests for solving problems剖析

第2章光和物质的近共振相互作用一、学习要求与重点难点学习要求1.掌握电偶极振子模型,理解模型的近似;2.掌握电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释,以及对介质谱线加宽机制和线型函数的解释;3.了解电偶极振子模型对介质色散的解释;4.了解介质谱线加宽机制,理解两种线型函数产生机制的差异;5.了解典型激光器中工作物质的加宽类型;6.掌握爱因斯坦唯象理论,理解谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;7.了解光和物质相互作用的近代理论。
重点1.电偶极振子模型,及其近似;2.介质自发辐射、吸收、谱线加宽机制和线型函数的经典理论;3.典型加宽机制和线型函数;4.爱因斯坦唯象理论,以及谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;难点1.电偶极振子模型的近似假设;2.电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释,以及线型函数的引入;3.综合加宽;4.谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;二、知识点总结1. 经典理论⎪⎩⎪⎨⎧偶极振子相互作用相互作用:光电场与电物质:电偶极振子光:电磁波理论的内在逻辑:介质极化 → 电偶极振子模型 → 电偶极振子运动方程 →⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧←→=−−−→−−−−→−⎪⎩⎪⎨⎧均匀加宽线型函数:洛伦兹函数比谱线宽度:与寿命成反虚数部:选择性吸收实数部:反常色散复数物质散射吸收损耗光电场有外光电场解:射无外光电场解:自发辐非铁磁质极化强度εεn 2. 线宽⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧←←高宽同宽时非均匀加宽高斯函数均匀加宽洛伦兹函数线型函数:归一相对宽度一样波数宽度波长宽度频率宽度线宽:描述:3dBor FWHM⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧−−−−→−=⎪⎩⎪⎨⎧−−−→−⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−−−→−⎰∞+∞-线宽由大的定积分变为佛克脱不同类型:线型函数改,线宽相加同类型:线型函数不变综合加宽:晶格缺陷加宽多普勒效应相近谱线的叠加非均匀加宽:中心频率晶格振动压力加宽碰撞加宽自然、寿命加宽叠加均匀加宽:相同谱线的类型:线宽相差大者产生机制产生机制'''),(),(),()Voigt (00000dv v v g v v g v v g H D ()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛−−−→−=⎪⎭⎫ ⎝⎛=←⎰∞+∞-00000ννρννρνννρνν,,,:),()(g B n dt dn g B n dt dn d g B n dt dn A v v g v A ji j st i ji j st i ji j st i 宽带光场:激光场:受激跃迁:配跃迁几率按线型函数分影响自发辐射跃迁系数:无对跃迁的影响:极端情形 激光器中实际情况:3. 唯象理论⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧级跃迁光子湮灭,原子向上能光与低能级原子作用:,原子向下能级跃迁光子被克隆、数量倍增光与高能级原子作用:能级跃迁:光子产生,原子向下无光与高能级原子作用相互作用:物质:二能级原子光:能量子⎪⎩⎪⎨⎧→⎪⎩⎪⎨⎧−−−−→−⎪⎩⎪⎨⎧−−−−→−=须采用特殊技术非自然现象非热平衡态光放大引起受激辐射小被吸收大热平衡态:光子几率引起受激辐射被吸收光子等几率爱因斯坦系数关系波耳兹曼分布率212121B g B g三、典型问题的分析思路1、 线型函数归一及线宽计算问题。
Fundamentals of Lasers 激光原理基础

Fundamentals of Lasers1.1The Nature of LightIn order to understand how a laser works it will be useful to激光原理基础1.1自然光为了明白一束激光是怎样的工作的这有助于我们阐述目前有关自然光是怎样产生的。
在人类所有的理解能力中想象力无疑是最重要的。
想象力和日升日落的关系可能是人类第一次的科学论述。
Greeks最可能是第一个尝试解释想象力的产生以及由它所引起的有关管自然光的推测。
他们有两部分支持的理论:首先眼睛通过触觉感知到物体这就是所谓的“视觉”。
然后物体本身发射某种物质,这种物质被眼睛搜集形成某种知觉。
这些理论被称作接受发射理论。
17世纪随着试验科学的到来,导致了对视觉理论的放弃,而发射学说却通过其支持者各自的努力得到发展。
这两个发射理论分别是Isaac Newton的微粒学说和Robert Hooke和Chirstian Huygens的波动学说。
甚至在那个时期相当大的试验数据被证实是可能的。
先辈已经教会我们反射和折射。
干涉(尽管直到19世纪早期才有Thomas Y oung)在1665年被Hooke 和Robert Boyle独立的观察并不正式的命名为牛顿环。
同年衍射被Grimaldi观测出来。
4年之后Bartholinus在方解石中发现了双折射。
波动理论最初通过Hooke在一原始的结构上建立,然后通过Huygens的到发展和提炼,波动理论通过折射,反射,双折射得到很好的说明,稍后Huygens断言通过某种方式光会在不同的方向发生偏振。
Huygens把他的解释建立在一个普遍的的规律上,在每束光的前点会表现为二次球面光并通过某种媒介传输,这种媒介称为以太。
此时横波必学在正确的的角度才能在振动方向传播,这种形式在水波中非常常见。
当然也类似于声波那样的纵波。
波在这种方式下其振动方向必须于传播方向一致。
《激光原理英文》课件
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Medicine
Laser beauty
Using laser energy to destroy melanocytes, achieving whitening, freckle removal and other effects, while also stimulating skin collagen regeneration, improving skin quality.
Laser spectroscopy
By utilizing the coherence and monochromaticity of laser, it studies the processes and laws of interaction between matter and light, providing strong support for research in fields such as chemistry and physics.
Characteristics
Lasers produce light with a narrow spectral width, high spatial coherence, and high temporal coherence
Classification of Lasers
Gas lasers
Common gas lasers include helium neon lasers and argon ion lasers
Solid State Lasers
Solid state lasers utilize a crystal or glass as the gain medium, which is pumped by an external energy source
激光原理(第2章)
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三、光腔的损耗 损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标,也是腔模理论的重要研究 课题。光学的损耗大致包括如下几个方面: (1)几何偏折损耗。光线在腔内往返传播时,可能从腔的侧面偏折出 去,这种损耗为几何偏折损耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸。 例如,稳定腔内傍抽光线的几何损托应为各零,非稳腔则有较高的几何 损耗。以非稳腔而论,不同几何尺寸的非稳腔,其损耗大小亦各不相同。 其次,几何损耗的高低依模式的不同而异。比如同一平行平面腔内的高 阶横模由于其传播方向与轴的夹角较大,因而其几何损耗也比低阶横模 为大。 (2)衍射损耗。由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径,因而当 光在镜面上发生衍射时,必将造成一部分能量损失。本节以及本书后面 几章的分析表明,衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N=a2/Ll有关,与 腔的几何参数g有关,而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。
(3)腔镜反射不完全引起的损耗。它包括镜中的吸收、散射以及镜的 透射损耗,通常的光腔至少有一个反射镜是部分透射的,有时透射率还 可以很高(例如,某些固体激光器的轴输出透射率可以> 50%),另一个 反射镜即使通常称为“全反射”镜,其反射率也不可能做到100%。 (4) 材料中的非激活吸收、散射,腔内插入物 ( 如布儒斯特窗、调 Q 元件、调制器等)所引起的损耗,等等。 上述 (1)(2) 两种损耗常常又称为选择损耗,因为不同模式的几何损 耗与衍射损耗各不相同。 (3)(4)两种损耗称为非选择损耗,在一般情况 下它们对各个模式都一样。 不论损耗的起源如何,我们都可以引进一个“平均单程损耗因子” d 来定量地加以描述。该因子的定义如下:如果初始出发时的光强为 I0, 在无源腔内往返一次后,光强衰减为I1,则
2.1 光腔理论的一般问题
一、光腔的构成和分类
在激活物质的两端恰当地放置两个反射镜片,就构成一个最简单的 光学谐振腔。
华科激光原理第2讲 激光产生机理与特性

dn 2 dn1 dt st dt st
– 则得到光放大的条件:
h KT
B 21n2 1 B12 n1
要满足该条件,只有T<0,这 意味着物质处于温度低于绝 对零度的状态,而这是不可 能的。
e
1
– “不可能”的前提是原子数按照能级的分布服从玻耳兹曼分布,那么要 实现光放大,必须使原子数按能级的分布打破玻耳兹曼分布,即使得高 能级原子数大于低能级原子数,使物质处于粒子数反转状态,或者称为 18 负绝对温度状态。
E
h
eh / KT 1
(1)
8
2.1.2黑体辐射与普朗克公式
而腔内单位体积中,频率处于 附近单位频率间隔内 的电磁场模式数: P 8 2 (2)
n
Vd
c3
所以可以得到黑体辐射的普朗克公式(单色能量密度):
8h 3 1 c3 eh / KT 1
(3)
其中K为玻尔兹曼常数:
n2
h E 2 E1
n1
受激辐射跃迁几率W21:描述受激辐射过程中高能级原 st dt n2
受激辐射跃迁几率同样与外加电磁场和原子特性相关:
W 21 B 21
14
2.1.6跃迁几率之间的相互关系
– 当黑体处于确定的温度T的热平衡状态时,具有以下三 个特点:
6
2.1.2黑体辐射与普朗克公式
– 黑体:一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射, 则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对 黑体,而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。 – 黑体辐射:当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态, 它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等,即处于能量平衡状态,这 将导致空腔内存在完全确定的辐射场。 这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
第2章激光产生的基本原理

f +Ze
e
f
?
Ze2
4?? 0r 2
F
f?F
F
?
V2 m
r
f
?
Ze2
4?? 0r 2
?
V2 m
r
由玻尔第三假设:电子的角动量mVr只能等于h/2π的整数倍,即
mVr ? n h
2?
(6.626176±0.000036)×10-34 J·s
mVr ? n h
2?
f
?
Ze 2
4?? 0r 2
?
V2 m
? B12 ? v
?v ?
f 2 A 21
hv
? ? B21? v ? A21
f2 f1
? hv
e kbT
?
B12 ? v
f1B12e kbT ? f2B21
由黑体辐射的普朗克公式:
?v
?
8?hv3
c3
1
hv
e kbT ? 1
f1B12 ? f2 B21?
??
A21
?
8?hv3
? ?
B21
c3 ??
dn2 dt
A21为自发辐射跃迁 爱因斯坦系数
?? n2 t
?
n e ? A21t 20
?s
?
1 A21
原子数密度由n20降到1/e所 用的时间。
自发辐射产生的光都是非相干的
2.2.2 受激辐射
E2
E2
hv=E2-E1
E1
E1
特点:
(1)有外来光子; (2)发射的光子与外来光子特性完全相同。
W21
1、二能级系统
? B12 ? B21 ? W12 ? W21 ? W
激光原理1-1,1-2

激光原理
目标
① 对激光技术中的物理学问题有较系统全面的认识; ② 建立正确的有关激光科学基本概念; ③ 掌握一定的有关激光器技术方面的知识。
激光原理 . 第一章
第一章
主要内容: (1) (2)
激光的基本原理
光场的相干性与光波模式关联 光的受激辐射
(3)
光放大和光学振荡
§1.1 相干性的光子描述 光波模式、光子(状)态、相干体积、相格 一、光波模式与光子态
3
8 h 黑体辐射Planck公式: n E 3 c
1 e
h KT
1
2. 跃迁:
激光原理 . 第一章
跃迁:原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级。 吸收辐射跃迁: 低 辐射跃迁: 高
(自发辐射)
吸收能量 辐射能量
高 低
h E2 E1
3. 受激辐射:
激光原理 . 第一章
相干光
总结
掌握:
激光特性
激光原理 . 第一章
光波模式、光子(状)态、相格、相干体积 概念及相互关系 光子简并度 概念 自发辐射、受激吸收、受激辐射 含义、特点、相互区别、相互关系 爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论 受激辐射的相干性
理解:
光波模式数、相格空间体积、相干体积相互关系的 推导过程 黑体辐射的Planck公式 玻尔兹曼统计分布 爱因斯坦三系数的相互关系的推导过程
dE Vd
能量密度
激光原理 . 第一章
1.黑体辐射的Planck公式 Planck辐射能量量子化假说: 热平衡状态下,黑体辐射分配到腔 内每个模式上的平均能量 腔内单位体积中频率处于 附近 n 单位频率间隔内的光波模式数
E e
h
激光原理chap2.1

4
4、其他:简单腔、复合腔;高损腔、低损腔; 折叠腔;环形腔;行波腔、驻波腔等。
折叠腔
l3
l2
l1
环形腔
5、有源腔和无源腔:腔内无增益工作物质或虽 有增益工作物质但不考虑其增益的腔为无源腔。
11
③无源腔的Q值——品质因数
定义一 :
Q
P
腔内储存的总能量 单位时间内损耗的能量
定义二 :
Q R
2
L'
c
定义三 : Q c
激光的单模线宽
小 述 Q值结。越:损小光耗。腔越的大损,耗δ 可越用大δ,、R越R 短、,c、cQ越值宽描,
12
3、典型损耗的估算(略) 衍射损耗随菲涅尔数 N a2 L 的增加而减小。
q
q
c 2nL
——谐振条件
2、模式特点
满足谐振条件的各个 频率即纵模由q决定, 且是离散的!
q
q1
q
c 2nL
c 2L'
——纵模间隔
L越小,间隔越大。越小越好7 ?
单模线宽
q
c
频率梳
另外,也可以从干涉角度分析:腔内若要形成稳定振
荡,要求波能因干涉而得到加强。干涉相长条件:波
③稳定球面腔激光器输出的激光,将以高斯光 束的形式在空间传播。
1
2、高斯光束在自由空间、均匀各向同性介质中的 传输以及通过简单透镜系统的变化和聚焦。 *3、稳定腔的缺陷在于好的光束质量和高的 输出功率难于兼顾。则需要采用非稳腔。
激光原理第2讲b

dI(z)
I0
z
0
dz
I z
正比于光的单色能量密度
9
净STE光子数
dI ( z ) W21n2 ( z ) W12 n1 ( z ) h dz
dI ( z ) B21h ( z ) n2 ( z ) n1 ( z ) dz
W21 B21
f1 f 2
光被吸收 透明*
10
3.小信号情况下的光强
dI z 1 g z dz I z
z I 0 e g z z I
随距离指数式增长
• 若介质中n分布均匀, g ( z ) B21hn
则g(z)为常数 g0
______ 小信号增益系数
I z I 0e
一. 黑体辐射的普朗克公式
二. 光与物质相互作用的三种过程
三. 爱因斯坦系数间的关系
四. 受激辐射的相干性
1
1.3 光的受激辐射放大
LASER:Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation
一. 光放大概念的产生 二. 实现光放大的条件 三. 增益系数与增益曲线
13
5.增益曲线 (1)增益曲线:
由于每个能级都具有一定宽度, 在中心频率 0附近都有受激辐 射跃迁,使得g与 有关。
0 :谱线的中心频率
(2) 由于饱和效应,使得g与I有关;由于能级宽度,使 得g与 有关,故g是I和 的函数:
:增益线宽
g g I ,
14
g0z
11
4.增益饱和效应 随着介质内光强的不断增大,增益系数能否保持 常数?
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40
Under thermal equilibrium, the blackbody continuously emits and absorb e.m. radiation power, and reaches equilibrium condition. The electromagnetic radiation called blackbody radiation. The radiation is emitted according to Planck's law, where the radiation spectrum is determined by the temperature alone, not by the body's shape or composition.
A black body in thermal equilibrium has two notable properties: 1. It is an ideal emitter: at every frequency, it emits as much energy as – or more energy than any other body at the same temperature. 2. It is a diffuse emitter: the energy is radiated isotropically, independent of direction.
41
constant temperature T.
The energy density (per volume) of the e.m. radiation inside the cavity is:
=
1 2 1 E H 2 2 2
f (t )
1 T f (t )dt 0 T
applied optical fields. In the absence of a time-varying potential, (r , t ) (r )exp j t , where the wave function E
It was solved by Planck, and the blackbody theory becomes one of the
fundamental bases of modern physics.
Light mode of a cavity
42
General electric field solution of Maxwell’ equestions E r , t E exp jt jkr 0
43
/ (abd )
The volume of modes with frequencies lie in (0,v):
3 1 4 2 v 8 3 cn
/c
/b
/a
kz
The mode volume density per unit frequency:
independent on the cavity shape, nature of walls and medium inside the cavity. The question is what is the solution of the spectral energy density v (v, T ) ?
(r , t ) (r , t ) V (r , t )(r , t ) j 2m t
2 2
Where V(r,t) is the potential characterizing the environment of the particle, including contributions from externally
k k x nx k y n y k z n z r rx nx ry n y rz nz
A finite space supports only standing waves, thus
al
x
2
;b m
y
2
;d n
z
2
z
y
kx l
; k y m ; kz n a b d
8 v 2 hv v 3 cn exp(hv / kT ) 1
Chapter 2_L3
47
Blackbody radiation theory Spontaneous emission, absorption,
and stimulated emission
Schrödinger equation Nhomakorabean
Average photon number per mode
1 n exp(hv / kT ) 1
Average energy per mode
Steady-state solution:
dN2 / dt 0
N2 n N1 1 n
hv E nhv exp(hv / kT ) 1
E (t ) E0 exp( jt ) E ( z, t ) E0 exp( jt jkz )
In a rectangular cavity, with perfectly conducting walls, filled with uniform dielectric medium. The boundary condition requires the electric field on the wall is zero, which leads to the standing wave solution. Cavity mode: a standing wave solution in a cavity with a definite wave vector k is a mode.
44
N2 E E1 hv exp 2 exp N1 kT kT
Average photon number per mode
dN 2 N 2 nN 2 nN1 dt sp sp sp
Spon. Stim. Abs.
Ref: B. Saleh and M. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, 2007
Einstein coefficients for the emissions
emission all occur in the cavity, when the system reaches thermodynamic equilibrium:
An approximate realization of a black surface is a hole in the wall of a large enclosure at a fixed temperature T.
Ref: Wikipedia
Blackbody radiation
Consider a cavity filled with a homogeneous and isotropic medium, kept at a
A black body is an idealized physical body that absorbs all incident electromagnetic radiation, regardless of frequency or angle of incidence. (A white body is one with a "rough surface that reflects all incident rays completely and uniformly in all directions.“)
The spectral energy density v is the energy density per unit frequency range
= v dv
0
is dependent only on the temperature T, while v only on T and the frequency v,
2 k k x2 k y k z2
d a
b x
l m n a b d
2
2
2
Mode volume density
The volume of one wave vector unit in the wave vector space is 3 kz ky
What is black body? Mode density in a blackbody cavity Mode energy in a blackbody cavity Planck radiation law (spectral energy density)
Black body
W21
W12
E1
Where A is Einstein A coefficient, B21 and B12 are Einstein B coefficients.
v 0
A B12 exp(hv0 / kT ) B21
B12 B21 B W12 W21 W A 8 hv03 B cn 3
46
In the framework of blackbody radiation, spontaneous emission, absorption and stimulated
AN W21N W12 N
e 2 e 2